Germanium contraint : une avancée majeure pour les puces quantiques

Du silicium au germanium

Les semi-conducteurs à base de silicium atteignent de plus en plus de limites techniques. Non seulement les transistors des puces les plus avancées ne sont constitués que de quelques atomes, mais les caractéristiques physiques mêmes des atomes de silicium deviennent une limitation insurmontable pour permettre de nouvelles améliorations.

Cela est particulièrement vrai pour les formes d'informatique les plus avancées, telles que la spintronique et l'informatique quantique.

De ce fait, les chercheurs et les entreprises de semi-conducteurs se tournent vers d'autres métaux et éléments pour trouver de nouvelles conceptions potentielles.

L'un d'eux, le germanium, connaît un regain de popularité. Utilisé pour la première fois dans les années 1950 dans les premiers transistors, il a d'abord été remplacé par le silicium en raison de facteurs tels que les coûts de production et la facilité de fabrication.

Aujourd'hui, le germanium, essentiel à l'électronique et à l'optique infrarouge — notamment pour les capteurs des missiles et des satellites de défense — est principalement produit à partir de mines de zinc et de molybdène.

Il pourrait également être utilisé pour d'autres applications ; par exemple, cristaux magnétiques de fer-germanium La formation de structures uniques pourrait être utilisée pour créer des supraconducteurs. Les films composés uniquement de germanium pourraient également être supraconducteurs.

Mais le germanium possède également des propriétés physiques uniques qui en font un remplaçant potentiel pour les semi-conducteurs en silicium dans certains cas spécifiques.

Des chercheurs de l'Université de Warwick et du Conseil national de recherches du Canada ont découvert que le germanium peut être plus de 15 000 fois supérieur au silicium dans certains domaines. Ils ont publié leurs résultats dans la revue Materials Today, sous le titre « … »La mobilité des trous dans le germanium sur silicium soumis à une contrainte de compression dépasse 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹. ».

Déplacer les trous, pas les électrons

En matière d'électronique et de semi-conducteurs, la structure atomique exacte d'un matériau peut être aussi importante que les éléments qui le composent.

C’est également le cas du germanium. Les chercheurs ont créé une couche de germanium d’une épaisseur nanométrique, soumise à une contrainte de compression et déposée sur du silicium.

L'idée est d'optimiser le transport des charges électriques en utilisant des « trous à haute mobilité », au lieu du mouvement habituel des électrons.

Dans ce cas, au lieu que les électrons se déplacent et transportent des informations, nous mesurons la propriété représentant la facilité avec laquelle les porteurs de charge positive (« trous », ou électrons manquants) se déplacent dans un matériau sous un champ électrique.

Comparée au mouvement traditionnel des électrons, la mobilité des trous présente une «couplage spin-orbite fort, interaction hyperfine supprimée et contrôle de spin entièrement électrique efficace ».

En termes moins techniques, cela signifie que cette propriété est idéale pour encoder des informations dans les systèmes spintroniques et informatiques quantiques.

Mais jusqu'à présent, les matériaux à mobilité de trous étaient trop sensibles aux perturbations environnementales pour être utilisés dans le calcul réel. Les impuretés et la complexité de leur fabrication ont encore freiné cette idée.

Germanium comprimé

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Une nouvelle méthode de production a récemment fait son apparition, appelée contrainte de compression, qui modifie la structure cristalline des matériaux semi-conducteurs, influençant les niveaux d'énergie des électrons et le transport de charge.

Grâce à cette méthode, les chercheurs sont parvenus à créer une fine couche de germanium comprimé sur une couche de silicium, présentant une mobilité des trous de 7.15 millions de cm⁻².² par volt-seconde (comparé à ~450 cm² par volt-seconde dans le silicium industriel).

Cela représente une amélioration exponentielle par rapport à l'électronique à base de germanium pour ce critère.

Source: Matériaux aujourd'hui

Parce que les charges électriques peuvent se déplacer beaucoup plus vite (>15 000 fois) dans ce matériau, cela ouvre la voie à la création d'électronique beaucoup plus rapide et beaucoup moins énergivore.

« Ceci établit une nouvelle référence pour le transport de charges dans les semi-conducteurs du groupe IV – les matériaux au cœur de l’industrie électronique mondiale. »

Cela ouvre la voie à une électronique et à des dispositifs quantiques plus rapides et plus économes en énergie, entièrement compatibles avec la technologie du silicium existante. »

Dr Sergei Studenikin – Agent de recherche principal, Conseil national de recherches du Canada

Comment le germanium contraint pourrait alimenter les puces quantiques et basse consommation

Cette nouvelle plateforme cs-GoS est intrinsèquement compatible avec la technologie CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), un élément essentiel de la fabrication des semi-conducteurs utilisé pour les capteurs, les circuits basse consommation et la mémoire des PC.

Elle peut également être étendue à une couche de la taille d'une plaquette, ce qui la rend directement applicable aux méthodes de fabrication actuelles des semi-conducteurs.

« Les semi-conducteurs traditionnels à haute mobilité tels que l'arséniure de gallium (GaAs) sont très coûteux et impossibles à intégrer à la fabrication de silicium classique. »

Dr Sergei Studenikin – Agent de recherche principal, Conseil national de recherches du Canada

Cela ouvre la voie à l'utilisation de la mobilité des trous dans la conception des ordinateurs quantiques, ou à l'intégration de ce type de circuit à base de germanium dans des puces à faible consommation d'énergie et des dispositifs spintroniques.

La conversion d'un prototype de laboratoire en une puce fonctionnelle produite en série ne devrait donc pas être aussi difficile que c'est souvent le cas pour des conceptions plus exotiques.

Source: Matériaux aujourd'hui

« Notre nouveau matériau quantique germanium sur silicium à contrainte de compression (cs-GoS) combine une mobilité de pointe avec une évolutivité industrielle — une étape clé vers des circuits intégrés quantiques et classiques à grande échelle pratiques. »

Dr Sergei Studenikin – Agent de recherche principal, Conseil national de recherches du Canada

Investir dans la fabrication de semi-conducteurs

TSMC – Société de fabrication de semi-conducteurs de Taïwan

La production de semi-conducteurs est une industrie dominée par la combinaison d'une expertise très pointue et complexe, et par la nécessité de produire en masse à grande échelle pour réduire les coûts.

Aucune entreprise n'a aussi bien réussi à maîtriser ce modèle commercial que TSMC, la société taïwanaise leader mondial dans la fabrication de puces ultra-avancées.

TSMC produit principalement des puces en silicium, notamment les puces les plus performantes gravées en 3 nm et 2 nm. En produisant les puces les plus avancées et les plus coûteuses, elle contrôle plus de la moitié des revenus mondiaux de l'industrie de la fonderie de semi-conducteurs.

Source: Éric Flaningam

TSMC est actuellement en train d'évoluer pour commencer à produire des puces en silicium aux États-Unis. notamment grâce à un investissement massif dans ses nouvelles fonderies en Arizona..

TSMC est néanmoins également un expert en transistors avancés à base de germanium et autres semi-conducteurs.

Ainsi, même si l'entreprise tire actuellement la majeure partie de ses bénéfices des puces avancées et de la fabrication de matériel d'IA pour des entreprises comme Nvidia (NVDA + 1.02%)Elle pourrait également être l'un des principaux bénéficiaires de la découverte que les méthodes de fabrication courantes des semi-conducteurs peuvent produire des puces à hautes performances, y compris celles utilisant du germanium.

(Vous pouvez également Pour en savoir plus sur l'histoire et les activités de TSM, consultez notre rapport d'investissement. dédié à l'entreprise.)

Dernières actualités et développements concernant l'action TSMC (TSM)

Étude référencée :

^{1. Myronov, M., Bogan, A., et Studenikin, S. (2025). La mobilité des trous dans le germanium contraint en compression sur silicium dépasse 7 × 10⁶ cm²V⁻¹s⁻¹. Matériaux aujourd'hui, 90314-321. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.10.004}